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人工智能-深度学习-风力发电磁悬浮偏航电机的偏航控制系统研究.pdf
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摘要中的内容提到了风力发电中的一种重要组成部分——偏航系统。传统的偏航系统主要采用齿轮驱动型主动偏航方式,但存在机械结构磨损、需要润滑等问题,影响风力发电机的使用寿命。为解决这些问题,文章提出了磁悬浮偏航控制系统,采用盘式同步电机的结构,当需要偏航时,通过磁悬浮控制器使风力发电机的机舱悬浮到一定高度,然后利用磁场定向矢量控制方法对偏航电机进行控制。这种新型结构克服了齿轮驱动型偏航系统的不足,具有机械结构简单、磨损小、无需润滑、维护方便、寿命长等优点。 文章的主要工作包括: 1) 针对传统偏航系统的不足,设计了一种以盘式同步电机为核心的磁悬浮偏航系统结构,并提出了相应的控制方法。 2) 建立了同步偏航电机的速度控制系统模型,在Matlab Simulink环境中对无传感器速度控制算法进行了仿真。 3) 分析了偏航系统的原理以及结合风速传感器和风向传感器的偏航算法,改进了传统的偏航算法。 4) 根据系统需求,设计了偏航控制器的主要电路、IGBT驱动电路、测量电路和通信电路,并基于仿真结果编写了软件程序。 5) 建立了实验平台,这可能包括硬件搭建和实际运行测试,以验证理论设计的有效性。 这篇论文深入探讨了风力发电中的人工智能与深度学习在磁悬浮偏航控制系统中的应用。通过使用先进的控制策略和无传感器技术,提高了系统的可靠性和效率。这不仅有助于延长风力发电机的使用寿命,还降低了维护成本,对风能的高效利用有着重要的实际意义。此外,对于磁悬浮技术和矢量控制算法的研究,也为未来智能能源系统的优化提供了新的思路和可能。
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Abstract
Yaw
system
is
one
of
the
iinpoilant
parts
to
ensure
wind
energy
utilization
for
wind
turbines.
The
yaw
system
of
large
horizontal
axis
wind
turbine
is
mostly
gear-diiving
type
of
active
yaw
systems.
Tliis
yaw
system
has
some
defects
such
as
wear
of
the
mechanical
stiiichue,
lubrication
needed,
etc,
aflectiiig
tlie
seivice
life
of
wind
tiubines.
Maglev
yawing
contiol
system
was
proposed
in
tliis
paper,
it
uses
tlie
structure
of
disc
syncluonous
motor,
when
tlie
wind
turbine
need
to
yaw,
the
levitation
conttoller
will
make
tlie
nacelle
of
wind
turbine
suspend
to
a
certain
height,
tlien
tlie
yaw
conttoller
uses
magnetic
field-oriented
vector
metliod
for
yaw
contiol
of
yaw
motor
□
Tliis
novel
structure
overcomes
the
diawback
of
yaw
gear-diiving
type
of
yaw
system,
it's
is
simple
in
mechanical
structure,
small
wear,
convenient
in
maintenance
witliout
lubrication,
long
seivice
life.
In
order
to
simplify
the
macliine
structure
and
eidiance
tlie
system
reliability,
sensorless
speed
contiol
algoritlun
was
adopted,
and
Matlab
was
used
to
siiinilate
vector
contiol
speed
contiol
algoritluns
for
sensorless
PMSM.
In
this
paper,
tlie
main
work
was
as
follows
:
1)
Aiining
at
tlie
shortcoinings
of
tiaditional
yaw
system,
the
maglev
yawing
system
structure
witli
tlie
disc
synchronous
motor
as
tlie
core
and
contiol
metliod
were
proposed.
2)
The
modeling
for
tlie
speed
contiol
system
of
synchronous
yaw
motor
was
realized,
and
the
sensorless
speed
contiol
algoritluns
were
siiinilated
in
the
Matlab
Sinniliiik
enviioiunent.
3)
The
yaw
system
principle
was
analyzed
as
well
as
the
yaw
algoritlun
witli
wind
speed
sensor
aiid
wind
direction
sensor,
aiid
tlie
traditional
yaw
algoritlun
was
improved.
4)
According
to
the
requirements
of
tlie
system,
tlie
main
circiut,
diive
circiiit
of
IGBT,
measurement
circiiit
aiid
coiininuiication
circiiit
of
the
yaw
contioller
were
designed,
also
the
software
was
programmed
on
tlie
basis
of
tlie
simulation
results.
5)
The
experimental
platfbnn
was
established,
tlie
experiments
for
yaw
contiol
were
earned
out,
aiid
tlie
yaw
contiol
was
realized
witli
good
effects.
Keywords:
Maglev,
Yaw
Contiol,
Synchronous
Disc
Motor,
Sensorless,
Magnetic
Field
Oriented
Control;
Matlab
Simuliiak
Simulation
目录
第一章绪论
1.1
风力发电机组偏航系统及其控制技术的发展现状
1.2
风电磁悬浮偏航系统简介
.....................
1.3
电机调速概况
................................
131
同步电机调速
..........................
1.3.2
变频调速
...............................
1.4
本文研究的
R
的和意义
.......................
1.5
本文研究的主要内容
..........................
3
3
3
4
4
第二章磁悬浮偏航电机调速系统建模与仿真
5
1
磁悬浮偏航电机建模
..........................
2
偏航电机驱动方法
............................
3
磁悬浮偏航电机磁场定向控制调速方法
........
4
无传感器速度估算算法
.......................
5
磁悬浮偏航电机调速系统的
MATLAB
仿真
.....
2.5.1
有传感器的偏航磁悬浮电机调速系统仿真
..
2.5.2
无传感器的磁悬浮偏航电机调速系统仿真.
.5
.6
.8
11
14
15
16
第三章磁悬浮偏航系统的偏航原理与偏航算法
20
偏航系统原理
......
风速风向传感器
••••••••
偏航算法
..........
偏航算法的数字实现
20
20
21
22
第四章
磁悬浮偏航电机控制系统的®件设计
24
4.1
变频器参数选择
................
4.2
系统主电路设计及其主要器件选型
4.2.1
系统主电路设计
..........
4.2.2
系统主电路主要器件选型
....
4.3
驱动模块的设计
.................
4.4
测量模块的设计
.................
4.5
通信模块的设计
.................
24
26
26
26
28
28
29
第五章磁悬浮偏航电机控制系统软件设计
30
5.1
编程环境介绍
5.2
控制系统设计
30
30
第六章实验系统搭建与结果分析
34
第七章总结与展望
37
参考文献
39
m
第一章绪论
1.1
风力发电机组偏航系统及其控制技术的发展现状
风能作为可再生能源
,
具有很大的发展潜力和市场前景
。
随着空气动力学和计算机技
术的发展
,以及各种新型材料的出现
,
机械
,
电力电子技术的
R
益成熟
,
风力发电技术正
在飞速发展⑴
。
据全球风能理事会
(GWEC)
发布的最新报告显示
,2010
年我国新增装机容量
16.5GW,
累计装机容量达到
42.3GW,
超过美国成为全球风电装机容量最大的国家
,
同时也成为风
能设备最大的生产国
。
2010
年全球新增的风电装机投资达到
473
亿欧元(约合
650
亿美元)
。
根据
《
全球风能展望
2010»
预测
,
到
2015
年屮国新增风电装机容量将达到
20GW,
到
2020
年屮国风电总装机容量将达到
420GW,
占全球
40%,
并认为屮国仍将是未来
5
年全球风
电市场的生力军
。
如今
,
随着空气动力学理论的不断发展
,
新型高强度
、
轻质材料的出现
,
计算机设计
技术的广泛应用
,
自动控制技术的不断改进
,
机械
、
电气
、
电力电子技术的
R
益成熟
,
风
力发电得到飞速发展
,
风能已成为最有商业广阔发展前景
、
最能满足全球低碳排放要求的
可再生能源
Z-,
大功率
、
高效率
、
高可靠性和高度自动化已成为风电技术的发展趋势
。
偏航系统
,
也称对风装置
,
是水平轴风力发电机组必不可少的重要组成部分
,
英主要
作用就是使风力发电机组的风轮始终处丁迎风状态
,
最大限度地利用风能
,
提高风力发电
机组的发电效率
、
电能质量和机组寿命
。
因此
,
偏航系统直接关系到风力发电机组的整体
性能
,
因而
R
益得到人们的高度重视
。
偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统
。
R
前国内外并网型风力发电机组均
采用主动偏航的齿轮驱动形式
。
主动偏航系统一般由风向传感器
、
偏航轴承
、
偏航驱动装
置
、
偏航制动器
、
偏航计数器
、
扭缆保护装置
、
偏航液压回路等组成
。
这种传统型的偏航系统存在零部件多而重
、
结构复朵
,
齿轮的材质及
K
处理工艺要求
高
,
需要润滑
、
且需定期更换润滑油和润滑脂
,
多电机驱动
、
占用空间大
、
故障率高等不
足
;
尤
K
是偏航过程屮
,
因受到机头自重及
K
偏心所引起的偏心力矩
、
风载荷作用丁机头
上端引起的弯曲力矩等结构性动态负载
,
会造成偏航齿轮易损坏
、
塔身侧弯和桨叶震颤
,
一旦发生故障
,
更换困难
,
停机检修时间长
,
将给风电场乃至整个电网的正常运行造成严
重不利的影响
。
此外
R
前国内偏航系统存在的主要问题是
:
缺少自主知识产权
,
设计时以参照国外同
类产品为主
,
实际运行的偏航系统可靠性低
、
运行维护费用高
。
因此
,
在风电飞速发展并
R
益成为全球低碳经济强劲推动力的今天
,
研究能够精准对
风
、
硬件结构简单
、
维修方便
、
使用寿命长
、
驱动能耗低
、
具有自主知识产权的偏航系统,
对我国风电行业来说是十分紧迫和必要的
。
R
前国内外对传统的齿轮驱动偏航系统的研究不多
,
主要是两方而
:
机械力学特性和
偏航控制
。
在机械力学特性方而
,
国外学者主要从空气动力学角度
,
基丁柔性结构风机模型的分
析
,
研究机头在偏航过程屮
,
偏航控制对塔身弯曲尤英是侧向弯曲的影响
,
运用
LQ
最优
控制理论
,
降低风能转换系统屮结构性动态负载
,
抑制塔身侧弯及桨叶的震颤
,
对风力发
电机组的结构
(
塔身及机头
)
进行优化设计
,
避免大幅振动引起结构疲劳和严重损坏
。
国
内研究人员对大型风力发电机组所受到的风载荷以及偏航过程屮机组的阻力矩进行了分
析探讨
,
提出了确定机组偏航功率的需考虑的一些因素和方法
。
文献
[31]
对偏航齿轮传动
装置进行了设计分析
,
提出了偏航机构设计原则
、
方法及主要参数选择范围和计算公式
,
以及齿轮材料
、
热处理工艺和制造工艺的选择
。
针对
R
前风力机组最为突出的两个问题
,
即桨叶根部的疲劳破坏以及机组偏航时的气动特性和动力学特性所知甚少
,
文献
[32]
建立
了风力发电机组偏航系统的数学模型
,
并对英进行立量分析
,
通过仿真分别研究了偏航动
态特性与机组的特性参数的关系
,
K
仿真结果对偏航系统的设计及
K
控制有一定参考价
值
。
在偏航控制方而
,
主要从控制策略
、
控制算法
、
系统稳定性以及控制器等方而进行研
究
,
R
标是克服风向离散性等扰动的影响
,
使偏航平稳连续
,
偏航路径短
,
调向次数少
,
风轮对风准确
,
以期提高风能转换效率
、
改善电能质量
。
R
前
,
风向检测一般均采用风向传感器
。
由丁风向传感器的精度以及它位丁下风向受
湍流的影响
,
偏航误羌较大
。
这不但降低了风能最大捕获率
,
也使桨叶运行时受力不均
,
导致机组的振动
、
叶片的疲劳以及输出功率的波动
。
因此
,
如何提高对风精度需要进行更
深入的理论研究
,
提出更有效的控制策略和算法
。
综合国内研究
,
现行齿轮驱动偏航控制策略主要有模糊控制
、
爬山法
、
变论域自适应
模糊控制
、
PID
•模糊复合控制
、
PID
神经网络控制
、
模糊矢量控制
、
基丁优化卡尔曼滤波
以及
V-HC
算法等⑵⑶
[4][5][6][7][8][9][10]
。
1.2
风电磁悬浮偏航系统简介
现行的主动偏航系统存在零部件过多而繁重
,
结构复朵
,
齿轮的材质要求较高
,处理
工艺要求高
,
需要定期更换润滑油
、
润滑脂
,
需要多个电机进行驱动
,
占用空间较大
,
故
障率高的不足
。
另外
,
在偏航过程屮
,
机头自重
、
风叶旋转时引起的偏心力矩
、
风载荷引
起的弯曲力矩等都会加在风机头上
,
这些动态负载会导致偏航齿轮容易损坏
,
塔身侧弯和
桨叶震颤等问题
。
一旦这些故障产生
,
将会使风机维修困难
,
停机时间长
,
将会大大降低
风电场的发电效率
。
因此
,
在风电发展
R
益迅速的今天
,
研究对风精准
、
结构简单
、
维修
方便
、
工作寿命长
、
能耗低的偏航系统是必然趋势
。
本文提出的风力发电磁悬浮偏航技术是磁悬浮技术
、
盘式电机技术和电机调速技术的
综合
。
该偏航系统相对传统偏航结构
,
结构更加简单
,
工作寿命长
,
并且在风机工作时不
会发生塔身侧弯和桨叶震颤的情况
。
该结构的磁悬浮电机的结构如图
1.1
所示
,
定子固定
在塔架上
,
转子安装在托盘上
,
当风向传感器检测到机舱与风向的夹角大
J
:
偏航允许误羌
角时
,
悬浮控制器控制通入转子励磁绕组的电流
,
使转子对定子产生吸力
,
从而使转子和
托盘开始悬浮
,
当定转子
Z
间的悬浮气隙约等
r
lOinm
时
,
偏航控制器通过电机调速算法
向定子绕组屮通入三相交流电
,
启动偏航电机开始旋转
。
当机头到达理想风向位置时
,
偏
航控制器控制电机停止旋转
,
在悬浮控制器的控制卜•使转子逐步卜落
,
锁死抱紧
,
完成偏
航
[
叭
1.3
电机调速概况
在偏航过程屮
,
为了保证系统的稳定
,
偏航电机的转速需要保持缓慢而平稳
,
因此,
需要针对电机的调速方法进行研究
。
本节简要介绍常用的电机调速方法
。
1.3.1
同步电机调速
相对异步电机而言
,
励磁同步电机功率因数可调
,
驱动时所需要的变频器容量更小
,
电机工作时的工作效率较高且速度无滑羌,电机自身的转动惯量小
,
特别是在大功率的应
用场合屮
,
相对异步电机有更大的优势
。
早期同步电机的供电一般是固定频率的
,
但是在
工频电源供电的条件下
,
同步电机无法
ft
启动
,
需要借助安装在转子上的阻尼绕组
,采用
异步电机的启动方式进行启动
,
等到电机的速度接近同步转速时
,
由励磁绕组和电源磁场
产生的同步转矩将电机牵入同步转速
。
随着电力电子传动技术和微型控制器的发展
,
同步
电机开始应用丁交流变频调速系统
。
基丁•变频带来的便利
,
同步电机一般可以不加阻尼绕
组
,
从而省去了电机制造的复朵性
,
从而使得电机效率更高
,
转动惯量更小
2
】
。
132
变频调速
交流变频调速是一种新型的电力传动调速技术
,
变频调速技术可以充分发挥频率在电
力传动屮的优势
。
在交流调速系统屮
,
供电电源的频率决定了电动机的同步转速
。
变频调
速主要有两种控制方式
:
基频向下调速
(
V/F
)
控制和基频向上
(
恒功率
)
调速
[
叭
1
)
V/F
控制
V/F
控制方法较为简单
,
就是保证电机的电压和电机的工作频率的比值恒定
,
来保证
电机的内部磁通是稳定的
,
并且在很大的速度范围内
,
电机的功率因数和工作效率不会降
低
,
因此只要保证了电机工作过程屮
V/F
比值恒定
,
就能在电机内产生恒定的磁通
。
但是
恒压
ffi
频控制本质上是开环的控制方式
,
速度的动态响应不够好
,
电机的输出电磁转矩的
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